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　　第三节 典型零件加工工艺过程分析;轴类零件的加工; ; ;2.轴类零件的主要技术要求 轴类零件与轴承孔配合的两段轴颈是轴类零件的重要表面，一般也是确定各项技术要求的基准。 （1）尺寸精度 轴类零件的尺寸精度主要是指直径和长度精度。直径精度由使用要求和配合性质确定。对于主要支承轴颈，通常尺寸精度为IT8—IT6级；特别重要的轴颈，尺寸精度可达IT5级。长度精度通常按未注公差尺寸加工。; （2）形状精度 轴类零件的形状精度主要是指轴颈的圆度、圆柱度要求。一般限制在直径公差范围内；要求较高时可去直径公差的1/2—1/4，或另外在图纸上标注出。 （3）位置精度 轴类零件的配合轴颈相对支承轴颈位置精度要求：一般精度的轴，径向圆跳动为10-30μm；高精度的轴，径向圆跳动为1-5μm，端面圆跳动为5-10μm。; （4）表面粗糙度 轴类零件的主要表面粗糙度根据其运动速度和尺寸精度等级确定。表面粗糙度一般为Ra0.8—0.2μm。 3.轴类零件的材料、毛坯及热处理 （1）轴类零件的材料 轴类零件应根据不同工作条件和使用要求选用不同的材料和热处理方法，以获得必要的强度、硬度、韧性以及耐磨性，从而满足使用要求。; 一般轴类零件常用45钢，经过调质（或正火）能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，重要表面经过局部淬火后在回火，表面硬度可达 45—52HRC。 中等精度而转速较高的轴类零件可选用40Cr合金结构钢，这类钢经调质和表面淬火热处理后，具有较高的综合机械性能。高转速、重载荷下的轴类零件，可以选用20Cr和20CrMnTi低碳合金钢或38CrMoAlA中碳合金渗氮钢。低碳合金钢经正火和渗碳淬火处理后可获得很高的表面硬度与;较软的芯部组织，耐冲击韧性好，其主要缺点是热处理变形较大。而对于渗氮钢，由于渗氮温度比一般淬火温度要低，经调质和表面渗氮后，变形小而硬度却很高，具有良好的耐磨性和耐疲劳强度。 （2）轴类零件的毛坯 轴类零件最常用的毛坯是棒料和锻件，某些大型或结构复杂的的轴类零件（如曲轴、凸轮轴），也选用铸件毛坯。毛坯经过锻造后可获得较高的抗拉、抗弯以及抗扭强;度。所以，除了光轴和直径???差不大的阶梯轴选用热轧棒料或冷拉棒料外，比较重要的轴类零件都采用锻件毛坯。 根据生产类型和使用要求的不同，锻造毛坯分自由锻和模锻两种制造方法。自由锻设备简单、易投产，但毛坯精度较低、加工余量较大且不易锻造形状复杂的毛坯，多用于单件小批生产。模锻的毛坯精度高，加工余量小，生产效率也高，而且可以锻造形状复杂的毛坯，但生产成本较高，通常适用于大批量生产。; （3）轴类零件的热处理 轴类零件锻造毛坯在机械加工之前，均需安排正火或退火处理（含碳量＞0.7%的碳钢与合金钢），使其内部晶粒细化（或球化），以消除锻造后的残余应力，降低毛坯硬度，改善切削加工性能。 为了获得良好的综合切削性能，轴类零件在淬火之前常要求进行调质处理（也有采用正火）。当毛坯加工余量较大时，调质可安排在粗车之后、半精车之前，以便消除;粗加工所产生的残余应力；当毛坯加工余量较小时，调质安排在粗车之前进行。表面淬火一般安排在精加工之前，这样可以纠正因淬火引起的局部变形。 对于精度要求较高的轴类零件，在局部淬火或粗磨之后，还需安排低温时效处理，从而保证尺寸的稳定；对于整体淬火的精密轴类零件，在淬火粗磨后，??经过较长时间的低温时效处理；对于精度要求更高的轴类零件，淬火后，还应安排定性处理。; ;二、轴类零件的装夹; 3.用内孔表面装夹 对于空心的轴类零件，在加工出内孔后，做为定位基准的中心孔已不存在。为了保证后续各道工序能有统一的定位基准，常采用带有中心孔的各种堵头和拉杆心轴装夹工件。 当空心轴孔端有小锥度孔时，常用锥堵定位；当锥孔的锥度较大时或圆柱孔的情况下，可用带锥堵的拉杆心轴装夹工件，如图6-19、图6-20所示。;三、轴类零件的加工工艺过程及特点;2.轴类零件加工工艺过程的特点 ;套筒类零件的加工; ; 2.套筒类零件的材料与毛坯 套筒类零件常用材料为钢、铸铁、青铜或黄铜等。为节省贵重材料，对于滑动轴承可采用双层金属结构，即利用离心铸造法在钢或铸铁套筒的内壁上浇注一层巴氏合金等材料，用来提高轴承寿命。 套筒类零件毛坯的选择与材料、结构尺寸、批量等因素有关。直径较小的套筒一般选用热轧或冷拉棒料；直径较大的套筒，常选用无缝钢管或带孔的铸、锻件。; 3.套筒类零件的主要技术要求 （1）内孔的技术要求 内孔是套筒类零件起支承或导向作用的主要表面，其直径尺寸精度一般为IT7级，精密轴承套为IT6级；形状公差一般应控制在孔径公差以内，较精密的套筒应控制在孔径公差的1/2—1/3甚至更小。对于长套筒零件除了圆度要求外，还有圆柱度有要求。套筒零件内孔表面粗糙度一般为Ra2.5-0.6μm，某些精密套筒Ra值可达0.04μm。; （2）外圆的技术要求 套筒类零件的外圆表面与箱体或机架上的孔通常按过盈或过渡配合。其直径尺寸精度一般为IT7—IT6级；形状公差应控制在外径公差以内；表面粗糙度Ra5-0.63μm。 （3）各主要表面之间的位置精度 1）内外圆之间的同轴度 套筒与机座装配前进行最终加工，其内外圆之间的同轴度要求要比套筒在装配之后进行最终加工高，一般为0.01—0.05mm。; 2）孔轴线与端面之间的垂直度 套筒端面如果在工作中承受轴向载荷，或是做为定位基准和装配基准，这时端面与孔轴线有较高的垂直度或端面圆跳动要求，一般为0.02—0.05mm。 ;二、套筒类零件的装夹; 1.以外圆或内孔为粗基准一次装夹 该方法可在一次装夹中完成工件主要表面加工，能避免因反复装夹对加工精度的影响，并保证一次装夹加工出的各表面之间有很高的相互位置精度。但这种装夹方法要求毛坯留有夹持部位，待各表面加工好后再切掉。 2.以内孔为精基准用心轴装??? 以内孔为精基准定位加工套筒类零件的外圆，在生产实践中广泛应用。这是因为加工内孔的切削条件和刀具刚;性都较差，若以外圆做为精基准来定位加工内孔，要保证内外圆的同轴度要求就显得比较困难；而以孔为定位基准的心轴类夹具，结构简单、刚性好、易于制造，在机床上装夹的误差也很小。所以，当不能在一次装夹中加工出套筒内外圆表面时，往往改由内孔定位加工外圆，这一方案特别适合加工小直径深孔套筒零件。 3.以外圆为精基准使用专用夹具装夹 当套筒零件内孔直径太小不适合做定位基准时，可先;加工外圆，再以外圆为精基准定位，用卡盘夹紧来最终加工内孔。采用这种装夹方法，迅速可靠，能传递较大的扭矩。但是，一般卡盘的定位误差较大，加工后内外圆的同轴度较低。目前，采用弹性膜片卡盘或经修磨的高精度三爪自定心卡盘等定心精度高的专用夹具，可以满足较高的同轴度要求。;轮盘类零件的加工; 2.轮盘类零件的材料及毛坯 传递动力的轮盘类零件，工作面承受交变载荷作用并存在较大的滑动摩擦，要求具有一定的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度以及足够的硬度和耐磨性；需要反向旋转的轮盘类零件，还要求具有较高的冲击韧性；需要进行调质或淬火等热处理的轮盘类零件，还应具有热处理变形小等性能。因此，像齿轮、凸轮等轮盘类零件常用45钢或40Cr合金钢等材料制造；对于重载、高速或精度要求高的轮盘类;零件，常用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢制造并经表面化学处理。带轮、轴承盖等轮盘类零件多用HT150、HT200、HT250、HT300等铸铁或Q235等普通碳素钢制造。有些受力不大、尺寸较小的轮盘类零件，可用尼龙、塑料或胶木等非金属材料制造。轮盘类零件的毛坯常用锻件或铸件。 3.轮盘类零件的主要技术要求 轮盘类零件的内孔和其中一个端面是该零件的装配基准，设计时大多以内孔和端面为设计基准来标注尺寸和各;项技术要求。所以，轮盘类零件内孔的精度要求较高，通常为IT7级；孔与基准面的垂直度一般为0.02-0.05mm；表面粗糙度Ra1.6-0.8μm或更小。一般轮盘类零件的外圆精度要求较低。根据工作特点和使用条件，对用于传动的轮盘类零件还有一些专项要求。例如，齿轮需要足够的传动精度；带轮则要求各梯形槽宽度一致，与孔同轴，夹角平分线垂直于轴线等。此外，大多数轮盘类零件都有热处理的要求。;二、轮盘类零件的装夹;要求两端面有较高的平行度而又不能在一次装夹中加工出孔和两端面，则可在第一次装夹中车削好一个端面、内孔及外圆，然后调头，用以加工好的外圆做基准找正加工另一个端面。因找正费时、效率低，一般只用于单件小批量生产。若生产批量较大，可在三爪自定心卡盘上采用软卡爪装夹。装夹前先将卡爪定位支承面精车一刀，使工件已加工好的端面紧靠在定位支承面上，再夹紧已加工好的外圆。这样加工出来的端面与轴线的垂直度及平行度都高。; （2）以内孔和端面为定位基准进行装夹 选择既是设计基准又是测量基准和装配基准的内孔和端面做为定位基准，既符合基准重合原则，又能使后续各道工序基准统一，能严格控制内孔的尺寸精度以及与基准端面之间的垂直度，同时其他表面也均可获得较高的加工精度。轮盘类零件以内孔为定位基准在专用心轴上进行装夹时，无需找正，结构简单，生产效率高，广泛应用于大批量生产。; （3）一次装夹完成主要表面加工 如图6—37所示，法兰盘凸缘A与 内孔的同轴度以及两端面与孔的垂直 度要求都很高。为此，设计一把专用 端面车刀，使工件在一次装夹中车削 出所有主要表面。这种方法可消除定 位误差对加工表面位置精度的影响。 ;盘状齿轮的加工; 齿轮材料及热处理对齿轮的内在质量和使用性能影响很大，选择时应主??考虑齿轮的工作条件和失效形式。当前生产中常用的齿轮材料及热处理方法大致有： 1）中碳结构钢（如45钢）正火、调质或表面淬火 这种钢进行热处理后具有良好的综合机械性能。齿形经正火或调质可改善金相组织和材料的切削加工性能，降低加工后的表面粗糙度值，并可减小淬火变形。中碳结构钢适用于制造低速轻载和不太重要的齿轮。 ; 2）中碳合金结构钢（如45Cr）正火、调质或表面淬火 这种钢与45钢相比，加入少量铬合金后可以使金属晶粒细化，提高强度，改善淬透性并减小淬火时的变形。中碳合金结构钢适用于制造速度较高、载荷较大、精度要求较高的齿轮。 3）渗碳钢（ 20Cr或20CrMnTi ）渗碳淬火 这种钢经过渗碳淬火处理后，使齿轮齿面的硬度可达到58-63HRC，而芯部又有较高的韧性、既耐磨又能承受冲;击载荷，多用于制造高速、大载荷或受冲击载荷作用的齿轮。由于淬火变形的影响，对于高精度齿轮的齿面需要进行磨齿，故费用较高。因此，有些齿轮可以采用碳氮共渗以减小热处理变形。 4）渗氮钢（38CrMoAlA）渗氮处理 这种钢制造的齿轮要比渗碳钢具有更高的表面硬度、耐磨性与耐腐蚀性，而且热处理变形很小，剃齿为齿面最终加工，可以不磨齿。用于制造高速轻载且耐磨的齿轮。; 5）其他材料 在受力不大、无冲击载荷作用的工作条件下，常用铸铁材料HT200、HT300制造齿轮。 在仪器仪表中的一些小模数齿轮，通常选择有色金属材料制造齿轮，如黄铜、青铜和铝合金。 在轻载、低噪声、需减振、润滑条件差的场合下所使用的齿轮，生产实际中多选用夹布胶木、尼龙、塑料等非金属材料来制造。; （2）齿轮毛坯 齿轮毛坯的种类主要有棒料、铸件和锻件。 齿轮毛坯的选择取决于齿轮的材料、结构、形状、尺寸、使用条件以及生产类型等多种因素。对于钢制齿轮大多采用锻造毛坯。直径大于400mm的齿轮常采用铸造毛坯。为了减少加工量，对于大尺寸低精度的齿轮可以直接铸出轮齿，而对于小尺寸形状又复杂的齿轮可采用精铸、精锻等新工艺制造出具有轮齿的齿坯。; 2.齿轮加工的工艺特点 齿轮加工通常可分为轮坯加工和齿面加工两个不同的阶段，与一般轮盘类零件加工的最大不同点是齿形面的加工。加工齿形面的工艺要点如下： （1）加工齿形面时基准的确定 1）以内孔定心端面定位 图6-39所示为这种装夹方式下插齿和滚齿的情况。该方式切齿前无需再找正轮坯，适用于大批量生产。; ; 2）以外圆定心端面定位 如图6-40所示，使用 千分表找正轮坯外圆确定 轴线位置，以轮坯端面定 位夹紧。该方式不需要专 用心轴，但找正比较费时， 适合于单件小批量生产。 ; （2）齿形加工工艺的确定 加工出符合要求的齿形，除了选择正确的定位装夹方式外，还需根据齿形精度要求，合理选择齿形精度方案。 由于滚齿（或插齿）后齿形能直接达到IT8—IT7级精度，所以对于IT7级精度一下的齿轮，如果不要求淬火，则滚齿（或插齿）后便能达到精度要求；如果要求淬火，则可按滚齿（或插齿）→剃齿工艺，将精度提高一级，然后再进行热处理。 ; 对于IT7级精度的齿轮，若不需要淬火，则可采用滚齿→剃齿→冷挤压工艺；若需要淬火，则可采用滚齿（或插齿）→热处理→磨齿工艺（批量较小时），或滚齿→剃齿→（或冷挤压） →热处理→珩齿工艺（批量较大时）。 对于IT6—IT7级且要求淬火的齿轮，则可采用粗滚齿→精滚齿（或精插齿） →热处理→磨齿工艺。 （3）修正精基准 淬火后齿轮孔的形状和尺寸都会有变化，而且齿轮的;精度以及表面粗糙度也会受到影响。为此，需要对齿轮孔加以修正，以便后续齿面进行光整加工。 对于高频淬火后均匀收缩的孔，可以用精车或在压力机上用齿升量很小的推刀来修正；整体淬火后变形较大而表面硬度增高的孔，则可用磨孔来修正。 （4）齿端的加工 为了使有轴向移动的齿轮容易进入啮合，这类齿轮的齿端必须倒角，如图6-41所示。 ; ; （5）齿轮热处理工序的安排 齿轮常根据不同要求安排以下两种热处理工序: 1)齿坯热处理 在齿坯粗加工前后安排预先热处理—正火或调质。正火安排在粗车前，用以消除毛坯制造内应力，改善齿轮的加工性能。调质一般安排在齿坯粗加工后进行，用以获得良好的综合机械性能。但调质后齿坯的硬度会提高，将导致切削加工时刀具磨损加快，生产中应用较少。 ; 2）齿面热处理 为提高齿面的硬度和耐磨性，常在齿形面加工后安排表面热处理工序。齿面热处理的主要方法有高频感应加热淬火、渗碳淬火以及火焰淬火等几种方法。 3.齿轮加工工艺过程 如图6-42所示为一高精度齿轮，材料为40Cr，精度为6-5-5。该齿轮单件小批量生产时的机械加工工艺过程详见表6-7。; ; ; ;箱体类零件的加工; ; 2.箱体类零件的材料与毛坯 箱体类零件常用的材料为HT200、HT250、HT300等灰铸铁。灰铸铁具有较好的耐磨性、减振性和良好的铸造性及可加工性，而且价格低廉。对于承受重载和冲击的工程机械、锻压机床的一些箱体，可采用铸钢材料（如ZG200）或钢板焊接而成。 箱体毛坯通常为铸件，因为采用铸造方法容易得到复杂的形状、内腔和必要的加强筋、凸台、凸边等。 ; 3.箱体类零件的主要技术要求 箱体类零件中以机床主轴箱加工精度要求为最高，现以图6-44所示CA6140型车床主轴箱简图为例归纳如下： （1）孔径精度 孔径的尺寸误差和形状误差会造成轴承与孔的配合不良。孔径过大，配合过松，将使主轴回转轴线不稳定，并降低其支承刚度，容易产生振动和噪声；孔径太小，会使配合偏紧，轴承将因内外环变形而不能正常运转，缩短轴 ; ;承寿命。轴承孔圆度误差增大，也会使轴承外环变形而引起主轴径向圆跳动。因此，主轴孔的尺寸公差等级要求较高，为IT6级，其余孔为IT7-IT6级。孔的形状精度未做规定，一般控制在尺寸公差范围内即可。 （2）孔与孔的位置精度 同一轴线上各孔的同轴度误差和孔端面对轴线的垂直度误差，会使轴和轴承装配到箱体内出现歪斜，从而造成主轴径向圆跳动和轴向窜动，同时也加剧了轴承磨损。为 ;此，一般同轴上各孔的同轴度要求约为最小孔径公差的一半。另外，孔系之间的平行度误差会影响到齿轮的啮合质量，因此各支承孔轴心线）孔与平面的位置精度 主轴孔和主轴箱安装基面的平行度要求，决定了主轴与床身导轨的相互位置关系，这项精度是在安装时通过刮研来达到的。为了减少刮研工作量，一般规定在垂直和水;平方向上，只允许主轴前端向上和向前偏移。 （4）主要平面的精度 装配基准的平面度影响主轴箱与床身连接时的接触刚度，加工过程中做为定位基准面则会影响主要孔的加工精度。因此规定底面和导向面必须平直。顶面的平面度要求是为了保证箱盖的密封性，防止工作时润滑油泄漏。在大批量生产中，若以其顶面做为定位基准面来加工孔时，对它的平面度要求还要提高。; （5）表面粗糙度 重要孔和主要平面的表面粗糙度会影响到连接面的配合性质与接触刚度。因此，一般要求主轴孔表面粗糙度值为Ra0.4μm，其余各纵向孔表面粗糙度值为Ra1.6μm，孔的内端面表面粗糙度值为Ra3.2μm，装配基准面和定位基准面的表面粗糙度值为Ra2.5—0.63μm，其他平面的表面粗糙度值为Ra10—2.5μm。;二、箱体类零件的装夹;采用同一基准，可减少夹具设计和制造工作量，并缩短生产周期，降低加工成本。 在生产实际中，???般根据生产批量和生产条件的不同来考虑精基准的选择。 1）单件小批量生产采用装配基准做为精基准 如图6-44所示车床主轴箱简图，加工时可选择底面导轨B、C面为精基准。导轨B、C面既是主轴箱的装配基准，也是主轴孔的设计基准，并与主轴箱两端面、侧面及各主;要纵向轴承孔在位置上有直接联系，故选择导轨B、C面做为精基准符合基准重合原则，定位误差小。另外，在加工各孔时，由于箱体口朝上，故更换导向套、安装和调整刀具、测量孔径尺寸、观察加工情况等都很方便。 但是这种定位方式也有不足之处。在加工箱体中间壁上的孔时，为了提高刀具刚度，需在箱体内部增加中间导向支承。由于箱体底部是封闭的，中间导向支承只能采用图6-45所示的吊架式镗模夹具，故只适用于中小批生产。; ; 2）大批量生产时采用“一面两孔”做为精基准 “一面两孔” 定位即采用箱体顶 面和两个销孔实现 定位，该方式适合 于大批量生产，如 图6-46所示。; ; （2）粗基准的选择 通常选择箱体主轴孔做为粗基准，这样可以使主轴孔的余量比较均匀，加工质量好。同时由于箱体零件采用铸造毛坯，其内腔型芯与各孔型芯是连成一体的，彼此之间有一定的位置精度，因而以主轴孔做为粗基准可使其他主要孔与箱体内壁的位置较准确，避免内部装配回转零件（如齿轮）时与箱体内壁干涉。 在单件小批量生产中，由于毛坯精度较低，故多采用 ;划线装夹方式；在大批量生产中，由于毛坯精度较高，常采用以主轴孔做为夹具的定位基面；在中批量生产中，若不便以孔为粗基准设计夹具时，也可采用划线.箱体零件的装夹 由于箱体零件壁薄，孔系精度要求高，因此装夹箱体零件时，夹紧力应作用在主要定位基准面上刚性较好的部位上。单件小批量生产可直接使用压板和螺钉将箱体零件装夹在机床工作台上；大批量生产需使用专用夹具装夹。 ;三、箱体孔系的加工; ; ; 1.平行孔系的加工 平行孔系的加工，主要是如何保证各孔之间的位置精度。其加工方法如下： （1）找正法（适合单件小批量生产） 1）划线所示） 划线找正花费时间长、生产效率低，而且加工出的孔距精度也较低，一般在0.5—1.0mm。为了提高划线找正的精度，加工中需要结合试切法同时进行。 ; ; 2）心轴找正法（如图6-49所示） 心轴找 正法的孔距 精度可达到 ±0.03mm。 ; 3）样板找正法（如图6-50所示） 样板找正法加工孔系不 易出差错，找正方便，样板 制造成本低，孔距精度可达 到±0.05mm，单件小批量的 大型箱体加工常用此法。 ; （2）镗模法 镗模法是预先精确地将孔系复制到镗模板上，并将镗模板安装到夹具体上，镗杆支承在镗模导套中并与机床主轴浮动连接，由机床主轴带动镗杆旋转，由镗模导向，将孔系加工出来，如图6-51所示。 镗模法的加工精度与机床精度基本无关，而主要与镗模的精度、镗杆的支承方式以及镗杆与导套之间的配合精度有关。该法广泛应用于大批量生产中。; ; （3）坐标法 坐标法镗孔是把孔距尺寸换算成两个互相垂直的坐标尺寸，然后借助测量装置调整机床主轴与工件在水平和垂直方向的相对位置，以保证孔距精度的一种镗孔方法。这种方法不仅省去了多次测量和找正主轴的操作，而且也不需要专用的工艺装备。因此，坐标法镗孔无论在单件小批量生产还是在成批量生产中都得到广泛应用。如图6-52所示为在普通卧式镗床上利用坐标法镗孔的情况。; 2.同轴孔系的加工 在成批量生产中，箱体同轴孔系的同轴度几乎都是由镗模来保证的；在大批量生产中，可采用组合机床从箱体两边同时加工，孔系的同轴度由机床两端主轴间的同轴度精度来保证；而在单件小批量生???中，其同轴度可用以下几种方法来保证： （1）利用已加工孔做支承导向 如图6-53所示，当箱体前壁上的孔加工好后，在孔内;装一导向套，支承和 引导镗杆加工后壁上 的孔，以不在两孔的 同轴度要求。这种方 法只适合加工箱壁较 近的孔。; （2）利用镗床后立柱做支承导向 在这种方法中，镗杆为两端支承，刚性好。但此法调整麻烦，镗杆较长，比较笨重，故只适合单件小批量生产中大型箱体零件的加工。 （3）采用调头镗 当箱体箱壁相距较远时，可采用调头镗。工件在一次装夹中，先镗好一端的孔后，将镗床工作台回转180°，调整工作台位置，然后加工另一端的孔，如图6-54所示。; ; 3.交叉孔系的加工 交叉孔系的主要技术要求是控制有关孔的垂直度，在普通卧式镗床上主要依靠工作台上的90°对准装置来保证的。90°对准装置虽然结构简单，但对准精度较低。 若有些镗床工作台90°定位精度很低时，可使用心轴与百分表找正的方法来提高其定位精度，即在加工好的孔中插入心轴，工作台转位90°，用百分表找正（转动工作台），如图6-55所示。; ;六、典型零件的加工工艺分析; 1、箱体零件的加工; 箱体零件的加工;箱体零件的加工; 2）粗基准的选择 ; ⑶ 一般箱体类零件的机械加工工艺过程;典型箱体类零件的机械加工工艺过程